Implementación de un tablero didáctico de un sistema de frenado hidráulico con accionamiento manual, control de parada y presión de frenado electrónico, para el laboratorio de la Escuela de Ingeniería Automotriz de la ESPOCH

Texto completo

(1)ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE MECÁNICA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ “IMPLEMENTACIÓN DE UN TABLERO DIDÁCTICO DE UN SISTEMA DE FRENADO HIDRAÚLICO CON ACCIONAMIENTO MANUAL, CONTROL DE PARADA Y PRESIÓN DE FRENADO ELECTRÓNICO, PARA EL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA ESPOCH” JAVIER LENIN SHIGUANGO GREFA ÁNGEL PATRICIO FARINANGO CASANOVA. TESIS DE GRADO Previa a la obtención del Título de:. INGENIERO AUTOMOTRIZ RIOBAMBA – ECUADOR 2012.

(2) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS Junio, 22 de 2012 Yo recomiendo que la Tesis preparada por:. JAVIER LENIN SHIGUANGO GREFA Titulada:. “IMPLEMENTACIÓN DE UN TABLERO DIDÁCTICO DE UN SISTEMA DE FRENADO HIDRAÚLICO CON ACCIONAMIENTO MANUAL, CONTROL DE PARADA Y PRESIÓN DE FRENADO ELECTRÓNICO, PARA EL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA ESPOCH” Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:. INGENIERO AUTOMOTRIZ. Ing. Geovanny Novillo A. DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA. Nosotros coincidimos con esta recomendación: Ing. Emilia Aimacaña DIRECTOR DE TESIS. Ing. Fernando Gonzales ASESOR DE TESIS.

(3) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE APROBACIÓN DE TESIS Junio, 22 de 2012 Yo recomiendo que la Tesis preparada por:. ÁNGEL PATRICIO FARINANGO CASANOVA Titulada:. “IMPLEMENTACIÓN DE UN TABLERO DIDÁCTICO DE UN SISTEMA DE FRENADO HIDRAÚLICO CON ACCIONAMIENTO MANUAL, CONTROL DE PARADA Y PRESIÓN DE FRENADO ELECTRÓNICO, PARA EL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA ESPOCH” Sea aceptada como parcial complementación de los requerimientos para el Título de:. INGENIERO AUTOMOTRIZ. Ing. Geovanny Novillo A. DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA. Nosotros coincidimos con esta recomendación: Ing. Emilia Aimacaña DIRECTOR DE TESIS. Ing. Fernando Gonzales ASESOR DE TESIS.

(4) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS NOMBRE DEL ESTUDIANTE: JAVIER LENIN SHIGUANGO GREFA TÍTULO DE LA TESIS:“IMPLEMENTACIÓN DE UN TABLERO DIDÁCTICO DE UN SISTEMA DE FRENADO HIDRAÚLICO CON ACCIONAMIENTO MANUAL, CONTROL DE PARADA Y PRESIÓN DE FRENADO ELECTRÓNICO, PARA EL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA ESPOCH” Fecha de Examinación:. Junio, 22 de 2012.. RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN: COMITÉ DE EXAMINACIÓN. APRUEBA. NO APRUEBA. FIRMA. Ing. Marco Santillán (PRESIDENTE TRIB. DEFENSA) Ing. Emilia Aimacaña (DIRECTOR DE TESIS) Ing. Fernando González (ASESOR) * Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.. RECOMENDACIONES:. El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.. f) Presidente del Tribunal.

(5) ESPOCH Facultad de Mecánica. CERTIFICADO DE EXAMINACIÓN DE TESIS NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ÁNGEL PATRICIO FARINANGO CASANOVA TÍTULO DE LA TESIS:“IMPLEMENTACIÓN DE UN TABLERO DIDÁCTICO DE UN SISTEMA DE FRENADO HIDRAÚLICO CON ACCIONAMIENTO MANUAL, CONTROL DE PARADA Y PRESIÓN DE FRENADO ELECTRÓNICO, PARA EL LABORATORIO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DE LA ESPOCH” Fecha de Examinación:. Junio, 22 de 2012.. RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN: COMITÉ DE EXAMINACIÓN. APRUEBA. NO APRUEBA. FIRMA. Ing. Marco Santillán (PRESIDENTE TRIB. DEFENSA) Ing. Emilia Aimacaña (DIRECTOR DE TESIS) Ing. Fernando González (ASESOR) * Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.. RECOMENDACIONES:. El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.. f) Presidente del Tribunal.

(6) DERECHOS DE AUTORÍA. El trabajo de grado presente, es original y basado en el proceso de investigación y/o adaptación tecnológica establecido en la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos teóricos - científicos y los resultados son de exclusiva responsabilidad de los autores. El patrimonio intelectual le pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.. Javier Lenin Shiguango Grefa. Ángel Patricio Farinango Casanova.

(7) AGRADECIMIENTO. Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo y a todo su plantel docente de la Carrera Ingeniería Automotriz por brindarnos los medios y conocimientos necesarios para acceder a una formación académica que me permitirá desempeñarme profesionalmente en el futuro. De igual manera agradecerle al Ing. Emilia Aimacaña, director de tesis y al Ing. Fernando González, asesor de tesis, por su invaluable colaboración durante la ejecución de este proyecto. Javier Lenin Shiguango Grefa. Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo y a todo su plantel docente de la Carrera Ingeniería Automotriz por brindarnos los medios y conocimientos necesarios para acceder a una formación académica que me permitirá desempeñarme profesionalmente en el futuro. De igual manera agradecerle al Ing. Emilia Aimacaña, director de tesis y al Ing. Fernando González, asesor de tesis, por su invaluable colaboración durante la ejecución de este proyecto. Ángel Patricio Farinango Casanova.

(8) DEDICATORIA Este trabajo lo dedico en primer lugar a Dios, por haberme dado todo lo necesario para no desmayar en la lucha por cumplir con mis objetivos trazados, y ayudarme a superar todas las barreras que se me interpusieron en la difícil vida estudiantil, a mi familia por el apoyo brindado siempre durante el trayecto de mi carrera.. Dedico también este proyecto, a todos los profesores que contribuyeron a mi formación académica, de los cuales aprendí además de las cátedras impartidas, valores, que seguro estoy, me serán de utilidad para enfrentar mi futura vida profesional.. Javier Lenin Shiguango Grefa. El presente proyecto quiero dedicarlo a las personas que más amo en la vida que son mis padres quienes han sido el pilar fundamental para culminar mi carrera. Estando a mi lado siempre, confiando en mí y apoyándome en cada momento.. A quienes admiro muchísimo porque de ellos he aprendido todo lo que soy, inculcando en mi siempre los valores con lo que hoy llevo en mi vida, que son parte de mí y me han servido para alcanzar una de las tantas metas que he propuesto.. Para ellos va dedicado este logro con el amor que les tengo y la felicidad de haber alcanzado una meta que es parte de mi vida profesional.. Ángel Patricio Farinango Casanova.

(9) CONTENIDO Pág. 1. 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2. INTRODUCCIÓN Antecedentes…………………………………………………... Justificación…………………………………………………….. Objetivos………………………………………………………... Objetivo general………………………………………………… Objetivos específicos…………………………………………... 1 2 2 2 3. 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.8.1 2.9 2.9.1 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19. MARCO TEÓRICO Historia de freno……………………………………………….. Definición de frenos……………………………………………. Misión del sistema de frenos…………………………………... Adherencia……………………………………………………… Energía………………………………………………………….. Fricción…………………………………………………………. Constitución del sistema de frenos…………………………… Servofreno……………………………………………………… Servofreno de depresión de dos cámaras…………………… Frenos de tambor………………………………………………. El sistema simplex……………………………………………… Frenos de disco………………………………………………… Frenos de estacionamiento…………………………………… Depósito de líquido……………………………………………… El líquido de freno………………………………………………. Cilindro de freno……………………………………………….. Cañerías…………………………………………………………. Accesorios………………………………………………………. Circuito de frenos en el automóvil……………………………. Manómetro medidor de presión………………………………… Vacuómetro……………………………………………………….. 4 5 6 7 7 8 10 11 11 13 16 17 21 23 24 29 31 32 32 33 34.

(10) 3 3.1 3.2 3.2.1 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.5 3.5.1 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2. CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLE Diseño del soporte para la instalación de los elementos de sistema hidráulico……………………………………………. Esquema de la estructura……………………………………… Cálculo estructural……………………………………………….. Construcción del bastidor……………………………………….. Procedimiento de construcción………………………………… Ensamblaje del los componentes de frenos………………… Ensamble del circuito hidráulico………………………………… Ensamble del acrílico…………………………………………….. Ensamble tol………………………………………………………. Ensamble de la unidad de control……………………………… Ensamble eléctrico……………………………………………….. Construcción e instalación de un sistema digital para creación de averías del motor………………………………….. Simulador de avería…………………………………………….. PRUEBA Y ANÁLISIS Funcionamiento del banco……………………………………… Recomendaciones generales…………………………………... Tablero didáctico………………………………………………… Líquido de freno………………………………………………… Cilindro maestro…………………………………………………. Pastilla de freno…………………………………………………. Mordazas………………………………………………………… Rotores de freno……………………………………………….. Tambor de freno……………………………………………….. Zapatas de freno………………………………………………... Guía de laboratorio…………………………………………….. Guía de identificación de fallas……………………………….. Información sobre el uso del tablero………………………….. Manual de uso del tablero……………………………………… Identificación de los puntos de medición……………………… Comparación de los datos del tablero con los datos reales…………………………………………………….. Análisis de resultados del banco de frenos…………………. 36 36 38 42 42 44 46 47 49 49 51 55 57. 66 66 66 66 67 67 67 68 68 68 69 69 75 75 82 84 85.

(11) 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4. 6. 5 4. 6. 6 4.6.7 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.8. 5 5.1 5.2. Observaciones…………………………………………………... Guía de práctica………………………………………………… Guía nº 1 Cambio de pastillas………………………………….. Guía nº 2 Revisión de las zapatas de freno…………………. Guía nº 3 Revisión de cilindro hidráulico de rueda…………. Guía nº 4 Purgado manual de sistema hidráulico………….. Guía nº 5 Revisión del cilindro maestro……………………… Guía nº 6 Comprobación de funcionamiento de Servofreno………………………………………………………. Guía n° 7 Simulación de averías de sistema de freno Hidráulico……………………………………………………….. Identificación de los componentes y conocimiento de sus propiedades de operación y parámetros…………….. Nivel de líquido de freno……………………………………….. Batería…………………………………………………………… Tablero de control………………………………………………. Plan de mantenimiento, inspecciones y cambios…………… Normas de seguridad para el correcto uso del banco didáctico dentro del laboratorio……………………….. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones…………………………………………………… Recomendaciones……………………………………………... REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRAFÍA LINKOGRAFÍA ANEXOS. 85 86 86 93 101 106 109 114 117 121 121 121 122 123 124. 126 126.

(12) LISTA DE TABLAS. Pág.. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Coeficiente de rozamiento…………………………………………….. Especificaciones tubo cuadrado estructural 1.5 pulgada…………… Especificaciones tubo cuadrado estructural 1 pulgada……………… Especificaciones de perfil tipo L……………………………………….. Materiales empleados en la construcción del bastidor……………… Elementos electrónicos utilizados en el circuito…………………….. Identificación de fallas………………………………………………….. Guía de solución de problemas……………………………………….. Valores nominales de presión y temperatura……………………….. Tiempo de revisión y cambios…………………………………………. 7 39 40 40 42 57 69 82 85 123.

(13) LISTA DE FIGURAS Pág. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33. Constitución del sistema de freno……………………………………… Servofreno………………………………………………………………... Servofreno de dos cámaras…………………………………………… Freno de tambor………………………………………………………… Tambor……………………………………………………………………. Despiece freno de tambor……………………………………………… Zapatas de freno de tambor…………………………………………... Freno de tambor simplex………………………………………………. Sentido de giro derecho………………………………………………… Sentido de giro izquierdo……………………………………………….. Disco de frenos…………………………………………………………. Caliper fijo……………………………………………………………….. Caliper flotante………………………………………………………….. Pastillas de freno……………………………………………………….. Frenos de estacionamiento…………………………………………….. Lámpara de advertencia………………………………………………… Cables de freno………………………………………………………….. Frenos de estacionamiento sistema tambor…………………………. Depósito de líquido de freno…………………………………………….. Líquido de frenos………………………………………………………… Clasificación de los líquidos de frenos…………………………………. Principio de pascal……………………………………………………….. Prensa hidráulica…………………………………………………………. Cilindros de frenos……………………………………………………….. Cilindro de doble efecto………………………………………………….. Cilindro de rueda…………………………………………………………. Cañerías…………………………………………………………………… Accesorios para cañerías………………………………………………. Circuito de frenos…………………………………………………………. Manómetro medidor de presión………………………………………… Funcionamiento del manómetro…………………………………………. Vacuómetro análoga……………………………………………………… Estructura dibujada en 3D…………………………………………………. 10 11 12 13 14 14 15 16 16 17 18 19 19 20 21 22 22 23 24 24 25 27 28 29 29 30 31 32 33 33 34 35 37.

(14) 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70. Estructura dibujada en 2D………………………………………………… Estructura dibujada en Sap2000 v 14…………………………………… Medida de tubo cuadrado uno y media pulgada………………………. Medida de tubo cuadrado una pulgada………………………………… Medida del ángulo L………………………………………………………. Vista en 3D del diseño ingresado en el software………………………. Muestra de resultados en SAP2000 v14……………………………….. Soldadura del ángulo en la estructura metálica……………………… Colocación de las ruedas en la estructura metálica…………………. Pintura de la estructura………………………………………………….. Colocación de servofreno……………………………………………….. Montaje de pedal de freno……………………………………………….. Montaje de freno de mano……………………………………………… Colocación de la transmisión……………………………………………. Colocación de los tambores de freno………………………………….. Colocación de los discos delanteros……………………………………. Conexión de cañería principal posterior………………………………... Medidas de espesor de acrílico………………………………………….. Colocando el acrílico en los parabrisas de la maqueta……………….. Acrílico colocado en la parte delantera de la maqueta…………….. Ensamble con plancha de tol…………………………………………….. Interruptor de luces de freno instalado…………………………………. Unión con soldadura de los componentes electrónicos……………… Instalación de los componentes de control ………………………….. Tablero de control instalado…………………………………………….. Montaje de la batería…………………………………………………….. Manómetro de presión…………………………………………………… Manómetro de vacío……………………………………………………… Montaje de bomba de vacío……………………………………………... Montaje de motor eléctrico………………………………………………. Switch de encendido……………………………………………………... Relé………………………………………………………………………… Numeración de pines de relé…………………………………………….. Visualización del software identificación de averías…………………… Micro controlador PIC 18F2550…………………………………………. Condensador cerámico………………………………………………….. Resistencia………………………………………………………………….. 37 39 39 40 40 41 41 43 43 44 44 45 45 45 46 46 47 47 48 48 49 50 50 51 51 52 52 53 53 54 54 55 55 57 58 59 59.

(15) 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 71 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107. Diodo rectificador…………………………………………………………. Osciladores………………………………………………………………… Transistor…………………………………………………………………… Bornera…………………………………………………………………….. Diodo led…………………………………………………………………… Potenciómetro……………………………………………………………… Cable USB………………………………………………………………… Diagrama de circuito de control…………………………………………. Pista placa de control…………………………………………………….. Placa de control……………………………………………………………. Pista placa de potencia…………………………………………………… Placa de potencia…………………………………………………………. Pantalla de software de control…………………………………………… Circuito de interfaz de control…………………………………………….. Tablero de control manual………………………………………………… Indicadores de presión en el tablero…………………………………….. Conexión de batería……………………………………………………….. Desmontaje de rueda…………………………………………………….. Visualización de pastilla en el interior de mordaza…………………….. Inspección de pastilla……………………………………………………… Revisión de retenes……………………………………………................ Retiro de guardapolvo…… … … …… … … …… … … …… … … …… … … … … Retiro de sello de pistón………………………………………………….. Extracción del pistón…… ……… …… ……… …… ……… …… ……… …… … Pistón desmontado… …… …… …… … …… …… …… … …… …… … …… ….. Inspección de ubicación del émbolo en la mordaza………………….. Proceso de retroceso de émbolo……………………………………….. Desmontaje de pernos de sujeción de la mordaza…………………… Retiro de pastillas…………………………………………………………. Proceso de montaje de pastillas de freno……………………………… Extracción de tambor de rueda posterior…………………………….... Retiro de las tuercas de sujeción de la rueda………………………… Tornillo de sujeción de ruedas retiradas……………………………….. Retiro de tambor…………………………………………………………… Visualización de los componentes de tambor………………………….. Retiro de perno de guía de zapatas……………………………………. Desalojo de muelle superior de zapatas…………………………………. 60 60 60 60 61 61 61 62 62 63 63 64 77 78 79 80 80 86 87 87 87 88 88 89 89 89 90 90 90 91 93 94 94 95 95 95 96.

(16) 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144. Retiro de muelle inferior de zapatas……………………………………… Extracción de zapatas……………………………………………………... Fijación de la zapata en una mordaza de banco………………………. Comprensión de muelle de presión……………………………………… Visualización de componentes desmontados…………………………... Instalación del esparrago de la palanca del freno de mano………….. Conexión de cable de freno de mano…………………………………… Ajuste de conjunto de zapatas…………………………………………… Sujeción de cilindro rueda……………………………………………….. Desmontaje de resorte……………………………………………………. Ajuste de componentes de freno de tambor…………………………… Verificación de paredes de cilindro……………………………………. Retiro de tornillo de sujeción……………………………………………. Retiro de terminal del latiguillo de freno………………………………… Retiro de goma de sujeción de cilindro rueda………………………….. Visualización de gomas de cilindro rueda………………………………. Retiro del pisto de cilindro rueda………………………………………… Montaje de tuberías de freno…...………………………………………. Instalación de zapata de freno............................................................... Purga de ruedas posteriores............................................................... Ajuste de zapatas de freno.................................................................... Proceso de oprimido de pedal para el purgado................................... Llenado de líquido en el depósito......................................................... Colocación de llave en el tornillo de purga............................................ Desajuste de tornillo de purga............................................................... Ajuste de tornillo después del purgado del sistema............................. Desconexión de cable negativo de batería........................................... Aplicación de pedal de freno varías veces........................................... Desmontaje de conexión de vacío......................................................... Desconexión de conector eléctrico...................................................... Colocación de trapo absorbente............................................................ Desmontaje de tuberías......................................................................... Desalojo de tuerca que fijan al cilindro maestro.................................... Retiro de cilindro maestro...................................................................... Colocación de cilindro maestro............................................................. Colocación de tuercas de sujeción........................................................ Montaje de tuberías primario y secundario............................................ 96 96 97 97 97 98 98 98 99 99 100 101 102 102 102 103 103 104 104 104 105 106 106 107 107 107 119 119 110 110 110 111 111 111 112 112 112.

(17) 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159. Ajuste de acoples en las tuberías....................................................... Montaje de conector eléctrico.............................................................. Llenado de líquido de freno................................................................ Retiro de cilindro de freno................................................................... Retiro de manguera de vacío............................................................... Instalación de cilindro de freno en el conjunto servofreno................... Ejecución del programa........................................................................ Switch de encendido accionado........................................................... Falla de luz posterior derecha............................................................. Mensaje de avería de luz posterior derecha....................................... Depósito sin líquido de freno................................................................ Mensaje de advertencia de falta de nivel de líquido........................... Llenado de líquido en el depósito......................................................... Simulación de presión de frenado del circuito posterior....................... Luz testigo panel de control................................................................... 112 113 113 115 115 116 117 118 118 118 119 119 119 120 123.

(18) LISTA DE ABREVIACIONES. DOT PSI SAE BAR ASTM ON OFF RPM HP VDC VAC. Department of Transportation: Departamento de transportes Pounds per square inch: libras por pulgada cuadrada. Society of Automotive Engineer: Sociedad de Ingenieros Automotrices. Unit of pressure: unidad de presión atmosférica(equivales a 100000 pascales) American Society for Testi: Sociedad Americana para Materiales de Prueba. Posición activada Posición desactivada Revoluciones por minuto Horse power caballo de fuerza unidad equivalente a 33,000 lib*pies/min Voltaje de corriente continúa Voltaje de corriente alterna.

(19) LISTA DE ANEXOS A. Circuito hidráulico de frenos. B. Tablas de ángulos en L. C. Medidas y colores en lámina y placa de acrílico. D. Motor eléctrico. E. Componentes electrónicos. F. Diagrama de circuito de placa de control. G. Diagrama circuito de placa de potencia. H. Circuito de control de simulación de averías.

(20) RESUMEN El presente trabajo es Implementar un Tablero Didáctico de un Sistema de Frenado Hidráulico con Accionamiento Manual, control de parada y presión de frenado electrónico, para el laboratorio de la Escuela de Ingeniería Automotriz de la ESPOCH. Este diseño tiene la finalidad de unir lo teórico como lo práctico, que contribuye a desarrollar en los estudiantes habilidades y destrezas con alto nivel de conocimiento que respondan a las exigencias modernas en la actualidad. Este modelo está estructurado para que responda en situaciones reales de operación consta de elementos en perfectas condiciones. También se incorpora un sistema digital de simulación de averías, que ayuda observar la presión de frenado en el circuito delantero y posterior. En lo correspondiente a los ensayos se utiliza líquido hidráulico para su respectivo sangrado en el circuito delantero como posterior y observar el comportamiento que proporciona el sistema de freno al accionar el pedal. Además consta con un sistema de simulación de averías, operando en condiciones reales dentro del laboratorio, que permite a los estudiantes apoyarse en las guías de laboratorio diseñadas, al realizar prácticas de orden electrónico como mecánico, donde es muy beneficioso en su preparación técnica. Una vez obtenido los resultados se equilibró las presiones de frenado del banco didáctico, de manera que proporcionará una mejor lectura en el manómetro al momento de ponerlo en funcionamiento. Se recomienda tomar en cuenta las normas de seguridad y de mantenimiento de este banco didáctico, para poder salvaguardar la integridad de los estudiantes..

(21) ABSTRACT The present study is to create a manual Hydraulic braking control Board with electronic stopping and pressure for the School of Automotive Engineering laboratory of the ESPOCH. The design is intended to teach theoretical and empirical practices to help students develop skills and abilities with a high degree of knowledge that meet modern requirements. The design is structured to respond in real-tíme operations in optimal conditions. A digital fault system simulation, which helps observe front and rear circuit braking pressure, is included in the study. In corresponding tests, hydraulic fluid tests were used for respective front and rear circuit bleeding and the observation of brake pedal operation. In addition, a failure simulation system, operating in real laboratory conditions, which allow students to follow designed laboratory guidelines for electronic and mechanical testing. Once the results were obtained, the braking pressures were equilibrated with the control board to provide a more accurate reading on the manometer in operation. It is recommended to take into account the safety and maintenance norms of the control board in order to safeguard the integrity of the students..

(22) CAPÍTULO I 1.. INTRODUCCIÓN. El tablero didáctico de sistema de freno hidráulico está constituido de acuerdo a los requerimientos de espacio y forma que necesitan los diferentes componentes utilizados en su elaboración, con una disposición semejante a un vehículo real. Teniendo en cuenta que no se llegará a un funcionamiento de 100% real, ya que se toma como base la simulación de presión de frenado en la cuatro ruedas, nivel en el depósito de líquido de freno, fallas en sistema eléctrico de las luces traseras, que se aplica desde un tablero de simulación de fallas. La finalidad de los frenos es la de conseguir detener o aminorar la marcha del vehículo en las condiciones que determina su conductor; para ello, la energía cinética que desarrolla el vehículo tiene que ser absorbida, en su totalidad o en parte, por medio de rozamiento es decir, transformándole en calor. Por esto se construye un tablero didáctico para que el sector estudiantil tenga un aprendizaje específico en el control del sistema de frenado y puedan realizar distintas prácticas de laboratorio, tanto de carácter mecánico como electrónico, de manera que se complemente los conocimientos teóricos con los prácticos. 1.1. Antecedentes. La principal función de un sistema de frenos es la de disminuir o anular progresivamente la velocidad del vehículo hasta detenerlo, o mantenerlo inmovilizado. Deben ser al mismo tiempo sensibles y graduables para modular la rapidez, y asegurar la paralización total del vehículo. En el año 1918, un joven inventor, Malcolm Lougheed, aplicó fuerza hidráulica al sistema de frenos. Empleando cilindros y tubos para trasmitir la presión de un líquido contra las zapatas de los frenos y empujar ésta a los tambores.. 1.

(23) En 1921 apareció el primer auto de pasajeros equipado con frenos hidráulicos en las cuatro ruedas: el Duesenberg Modelo A. Pero el sistema hidráulico no fue adoptado de inmediato por todos los fabricantes de automóviles. Diez años después de aparecer el Duesenberg Modelo A, en 1931, sólo los modelos Chrysler, Dodge, Desoto, Plymouth, Auburn, Franklin, Reo y Granham equipados con frenos hidráulicos. De hecho, no fue hasta 1939 que la Ford finalmente los adoptó, convirtiéndose en el último fabricante de importancia en emplear frenos hidráulicos. El sistema básico de frenos que se utiliza hoy ya era cosa común en 1921, cuando también comenzó a usarse en un refinamiento que muchos consideran como algo contemporáneo: los frenos motrices. El sistema de frenado hidráulico es una aplicación del principio de Pascal: ejerce una fuerza con el pie en un émbolo pequeño, el fluido la transmite y, según la relación entre las secciones de los émbolos. También cambia la dirección y el sentido la fuerza aplicada. 1.2. Justificación. Con la implementación del tablero didáctico de un sistema de frenado hidráulico con accionamiento manual, control de parada y presión de frenado electrónico, se pretende que los estudiantes de Ingeniería Automotriz se familiaricen con los componentes y tengan una idea clara de su funcionamiento. El modelo didáctico es totalmente necesario para contribuir la enseñanza teórica práctico y aportar a desarrollar habilidades y destrezas con alto nivel de conocimiento que respondan a las exigencias modernas en la actualidad. 1.3. Objetivos. 1.3.1 Objetivo general. Implementar un tablero didáctico de un sistema de frenado hidráulico con accionamiento manual, control de parada y presión de frenado electrónico, para el laboratorio de la Escuela de Ingeniería Automotriz de la ESPOCH. 2.

(24) 1.3.2. Objetivos específicos Investigar los temas relacionados del proyecto. Construir un tablero didáctico de un sistema de frenado hidráulico con accionamiento manual, control de parada y presión de frenado electrónico, para que los estudiantes tengan una formación íntegra en sus conocimientos teóricos – prácticos con sistemas reales. Diseñar y construir un tablero en el cual se montará los diversos elementos de un sistema de freno hidráulico. Elaborar guías de prácticas y/o pruebas, que se podrán realizar en el equipo, así como señalar las normas de seguridad para el uso del mismo.. 3.

(25) CAPÍTULO II 2.. MARCO TEÓRICO. 2.1. Historia de frenos. Los primeros automóviles creados a finales del siglo XIX, tuvieron sin duda muchas incertidumbres con respecto a la adopción de uno de los frenos verdaderamente eficaces. Cierto que las velocidades obtenidas en aquellos tiempos (dejando aparte los vehículos preparados para la competición, los cuales requieren la colaboración de dos personas para conducirlos) no eran muy elevadas, ni las transmisiones permitían que se pudiera alcanzar velocidades importantes si tenían que ser aptas, además, para ascender las súbitas empinadas rampas que los caminos de la época ofrecían. El freno aplicado se había heredado directamente de los coches de caballos. Estos frenos consistían en una zapata que se aplicaba directamente sobre la banda de rodadura de las ruedas traseras y que se presionaba por medio de una simple palanca. La aplicación de los frenos de zapata a los automóviles comportaba muchos problemas que no eran propios de los carruajes. Por ejemplo, las ruedas de los coches debían ser más pequeñas que las de los carros, de modo que el esfuerzo de presión sobre la rueda era mucho menor, al tener muy reducido el brazo de palanca de aplicación con respecto al centro de la rueda. Por si ello fuera poco, los automóviles solían correr algo más que los carruajes y no disponían de dóciles caballos a los que sus mayorales pudieran indicarles, con la voz y con las riendas y sus bridas, que dejaron de galopar o que, incluso, llegaran a detenerse del todo. Cuando aparecieron los primeros neumáticos creados por los hermanos Michelin y el Británico Dunlop, la ubicación de la zapata fue mucho más comprometida y hubo de instalarse por los laterales de la goma. Todo ello hacia que los frenos fueran de muy dudosa utilidad. De hecho fue el gran Louis Renault quien decidió equipar los automóviles de su fabricación con frenos de tambor de expansión. Pero puede decirse que hasta el año 4.

(26) 1920 no se resolvió de una manera “moderna” la aplicación de los frenos, hasta que se montaron en cada una de las ruedas del automóvil y su accionamiento se hizo por medio del pedal. Frederick Lanchester era un ingeniero escocés que tuvo su propia fábrica de automóviles y a estos les aplicó, ya 1906, los frenos de disco. Los primeros frenos de disco de Lancherter disponía ya de dos pastillas de fricción, aunque en general, tanto el disco como las pastillas tenían reducidas dimensiones. A pesar de todo el freno de disco no alcanzó una popularidad de aplicación a los automóviles de serie hasta 1962, a partir de cuya fecha muchas marcas se interesaron por la aplicación de este sistema de frenos a sus automóviles e incluso utilizaron con profusión el tema de su aplicación y montaje como aliciente publicitario para activar y mejorar las ventas. Los hitos fundamentales que hicieron de los frenos un sistema efectivo fueron sin duda, la aplicación de los forros de asbesto y la creación de un sistema de accionamiento hidráulico. 2.2. Definición de frenos. Conjunto de órganos que intervienen en el frenado y que tienen por función disminuir o anular progresivamente la velocidad de un vehículo, estabilizar esta velocidad o mantener el vehículo inmóvil si se encuentra detenido. Todo dispositivo de frenado funciona por la aplicación de un esfuerzo ejercido a expensas de una fuente de energía. El dispositivo de frenado se compone de un mando, de una transmisión y del freno propiamente dicho. Mando. Mecanismo cuyo funcionamiento provoca la puesta en acción del dispositivo de frenado; suministra a la transmisión la energía necesaria para frenar o controlar esta energía.. 5.

(27) El mando puede ser accionado: Por el conductor; mediante el pedal o a mano. Sin intervención directa del conductor. Por inercia: acoplamiento entre remolque y el vehículo tractor. Por gravedad: abatiendo la lanza de un remolque. Por tracción: tensión de un cable entre un remolque y el vehículo tractor.. Transmisión. Unión de los elementos comprendidos entre el mando y el freno, acoplándolos de una manera funcional. La transmisión puede ser mecánica, hidráulica, eléctrica o combinada. Freno. Órgano en el cual se desarrollan las fuerzas que se oponen al movimiento del vehículo. 2.3. Misión del sistema de frenos. La misión del sistema de frenado es la de crear una fuerza regulada para reducir la velocidad o para detener un vehículo en movimiento, así como para tenerlo estacionado. Las características que debe tener un sistema de frenos: Eficacia.- detener el vehículo en un tiempo mínimo y sobre una distancia mínima. Estabilidad.- conservando la trayectoria del vehículo. Progresividad.- con un frenado proporcional al esfuerzo del conductor. Confort.- con un esfuerzo mínimo para el conductor. Mecánico.- interviene el conductor al pisar el freno y que hace al sistema funcionar. Físico.- se trata de la adherencia del vehículo al terreno y puede variar por: Peso del vehículo Características y estado de los neumáticos. 6.

(28) Naturaleza y estado del terreno por el que circula. 2.4. Adherencia.. Es esta la fuerza A, que se opone al desplazamiento de un cuerpo con relación a la superficie sobre la cual descansa. La adherencia es función del peso del cuerpo (P) y del coeficiente de rozamiento (f). ADHERENCIA = Peso del cuerpo X Coeficiente de rozamiento La adherencia varía con: El peso del vehículo. Las características y el estado del neumático. La naturaleza y el estado de la carretera.. Tabla 1. Coeficiente de rozamiento COEFICIENTE SUELO 0,9 Asfalto seco y gravilla empotrada. 0,8 Asfalto rugoso seco. 0,6 Asfalto seco y adoquinado seco. 0,5 Asfalto rugoso húmedo. 0,4 Asfalto húmedo. 0,3 Adoquinado húmedo. 0,1 Hielo. Fuente: http://www.cdr.es/uploads/MFG/Los%20Frenos.pdf Si las ruedas se bloquean, el coeficiente de rozamiento varía alrededor del 60%.. 2.5. Energía. Para hacer funcionar el motor de un automóvil se necesita energía. La energía puede definirse como la habilidad de realizar un trabajo.. 7.

(29) Un automóvil se mantiene en movimiento por dos fuerzas, una es la que inicia el movimiento del vehículo y la otra es el peso y la velocidad. La combinación de estas dos fuerzas se llama energía cinética o sea la energía del movimiento. Cuanto más pesado sea un vehículo y mayor sea la velocidad será mayor su energía cinética y por consiguiente más difícil de detener: de hecho un automóvil en movimiento nunca se detendría a menos que se le aplicará otra fuerza para hacerlo. La ley de conservación de la energía establece que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. La energía cinética y la calorífica son dos tipos de energía, la primera es aquella energía que tienen los cuerpos al estar en movimiento y la segunda es la energía que absorben o liberan los cuerpos en forma de calor. 2.6. Fricción. Es la resistencia al movimiento que existe entre dos objetos en contacto. Existe muchos tipos de fricción, pero el tipo de deslizamiento seco ofrece la mayor resistencia al movimiento. Cuando un vehículo se encuentra en movimiento tiene una cierta energía cinética y si se quiere detenerlo tiene que transformar esa energía en otro tipo de energía que no involucre el movimiento del vehículo, tal como la energía calórica La fricción es la fuerza que se opone al movimiento entre dos objetos que se encuentran en contacto. La fricción es directamente proporcional al peso, esto significa que conforme el cuerpo aumenta en peso también aumenta la fricción al ponerse en contacto con otro cuerpo. La fricción depende del material de fricción, temperatura y acabado de la superficie del tambor o rotor.. Composición de los materiales de fricción. Los componentes principales de un forro se pueden enumerar de la siguiente manera: 8.

(30) Los aglomerados, que aseguran la cohesión de todos los demás componentes. Las fibras de refuerzo, hasta hace algunos años amianto y actualmente fibras sintéticas y aramidas. Las cargas, generalmente de tipo metálico, para proporcionar resistencia al desgaste y buen coeficiente de rozamiento. Características de los materiales de fricción. En cualquier sistema de freno los materiales de fricción pueden clasificarse como: Material de forro. Contra material, es decir el disco o el tambor. La parte móvil del sistema de frenos, el contra material, está sometida a dos tipos de esfuerzos: térmico y mecánico. El primero es muy diferente tratándose de discos o tambores. En los discos de refrigeración está más asegurado y en los tambores el radiante de temperatura es particularmente elevado. El esfuerzo mecánico también es diferente, y las contracciones son mucho más desfavorables en los discos que en los tambores, ya que en estos últimos poseen una superficie mayor y los esfuerzos tangenciales se reparten de otra manera. Material de forro. El material de forro es un compuesto complejo con un coeficiente de rozamiento adaptado, generalmente entre 0.35 y 0.45 para una aplicación dada, es preciso hacer rotar que un coeficiente bajo es particularmente desaconsejable para evitar un rendimiento eficiente pero de la misma manera, un coeficiente muy alto puede acarrear problemas peores, como pueden ser bloqueo de las ruedas, ruidos excesivos y temblores a frenar. El coeficiente de rozamiento no es una magnitud física invariable, si no que puede cambiar en función de las condiciones de uso (presión, temperatura, velocidad). La fabricación de los forros tienen que tener muy en cuenta los diversos parámetros para determinar la amplitud de la variación que se producirá en el funcionamiento 9.

(31) El fading. Los calentamientos muy rápidos por frenados consecutivas y particularmente violentas producen un efecto de acumulación térmica en el freno que puede provocar una pérdida de eficacia de los forros denominada fading (término anglosajón que se puede traducir como desfallecimiento) y caracterizado por un descenso brusco del coeficiente de rozamiento. En estos momentos el freno se vuelve inoperante el conductor y el vehículo lo acusa en seguida. La resistencia a fading es uno de los factores más importantes en los ensayos y pruebas que se realizan antes de dar por bueno un forro determinado. Por lo general, el fading desaparece cuando se enfrían los forros, es lo que se denomina recuperación. En algunos casos y sobre determinados materiales puede darse el caso de una sobre recuperación, es decir, al enfriarse el forro se produce un aumento brutal del coeficiente de rozamiento y automáticamente aparecen ruidos, vibraciones y brusquedades a frenar. 2.7. Constitución del sistema de frenos. El circuito de frenos más sencillo está constituido por las siguientes componentes: Figura 1. Constitución del sistema de freno. [1]. Pedal de freno Cilindro de freno Depósito de líquido de freno Zapatas de freno. Tambores o discos 10.

(32) Canalizaciones Freno de mano Servofreno 2.8. Servofreno. El servofreno intensifica la fuerza del pie al accionar el freno y disminuye así la energía que debe que aplicar. Combinado con el cilindro principal, es parte integrante de la mayoría de sistemas de freno de turismos. La exigencia técnica fundamental impuesta a los servofrenos es la que reduzcan la fuerza necesaria aplicada por el pie sin menoscabar la graduación precisa de la fuerza de frenado. Las dos versiones de servofreno usuales, son la de depresión y la hidráulica, utilizan las fuentes de energía ya existentes en el vehículo: la depresión en el colector de admisión o respectivamente la presión hidráulica generada por una bomba. Figura 2. Servofreno. [2]. Los sistemas de freno en los turismos están equipados en su mayoría con servofrenos de depresión 2.8.1 Servofreno de depresión de dos cámaras. Los servofrenos de depresión utilizan en los motores de gasolina la depresión generada en el colector de admisión durante la carrera de aspiración, y en los motores diesel la depresión generada por una bomba de vacío, para intensificar la fuerza del pie del conductor.. 11.

(33) Al accionar el freno la fuerza de intensificación aumenta proporcionalmente a la fuerza del pie hasta el punto de intensificación total, que se encuentra cerca de la presión de bloqueo de las ruedas delanteras. La cámara de depresión (3) con empalme de depresión está separada de la cámara de trabajo (12) por una membrana. El vástago (10) transmite al émbolo 8 de trabajo (5) la fuerza aplicada reguladamente por el pie, mientras que la fuerza de frenado intensifica actúa a través del vástago de presión (1) sobre el cilindro principal. Figura 3. Servofreno de dos cámaras. [3]. Al no estar accionado el freno, la cámara de depresión (3) y la cámara de trabajo (12) comunican una con otra a través de canales existentes en el cuerpo de válvula (8). En ambas cámaras reina vació establecido a través del empalme de depresión (3). En cuanto comienza un proceso de frenado, el vástago del émbolo (10) se mueve hacia la cámara de depresión (3) y empuja la guarnición de la válvula doble (7) contra el asiento de la válvula (11). Con ello, la cámara de depresión y la de trabajo quedan separadas una de otra. Como sea que al seguir avanzando el vástago el émbolo sensitivo (6) se separa de la guarnición de la válvula doble, penetra aire de la atmósfera en la cámara de trabajo. Ahora reina en la cámara de trabajo una presión mayor que la existente en la cámara de depresión. La presión atmosférica actúa a través de la membrana (4) sobre el disco de esta, al que ella esta aplicada. El disco de la membrana arrastra el cuerpo de la válvula (8) en dirección hacia la cámara de depresión, intensificando así la fuerza del pie. La fuerza del pie y la fuerza de intensificación empujan ahora el disco de membrana (4) venciendo la fuerza del muelle. 12.

(34) la compresión (2). El vástago de presión (1) se mueve a causa de ello y transmite la fuerza de salida al cilindro principal. Tras la conclusión del proceso de frenado, la cámara de depresión y la de trabajo comunican de nuevo una con otra y se encuentran bajo depresión.. 2.9. Frenos de tambor Figura 4. Freno de tambor.. El mando de frenos tendrá por misión separar las zapatas y poner en contacto las guarniciones con el tambor. La recuperación es efectuada por un muelle. En movimiento el tambor tiene tendencia arrastrar a las zapatas. Por esto las zapata primaria va a sostenerse sobre la articulación de modo que aumentará el rozamiento y por tanto la frenada. Este es el fenómeno de arrastre. Por el contrario, la zapata secundaria tendrá tendencia a ejercer menos presión sobre el tambor: esto es por lo que generalmente la guarnición secundaria es más corta. Tambor. El tambor es la pieza que constituye la parte giratoria del freno y que recibe la casi totalidad del calor desarrollado en el frenado. Se fabrica en fundición gris perlitica con grafito esferoidal, material que se ha impuesto por su elevada resistencia al desgaste y menor costo de fabricación y que absorbe bien el calor producido por el rozamiento en el frenado.. 13.

(35) Cabe destacar también, para ciertas aplicaciones, las fundiciones aleadas, de gran dureza y capaces de soportar cargas térmicas muy elevadas Figura 5. Tambor.. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/frenos-2.htm El tambor va torneado interior y exteriormente para obtener un equilibrado dinámico del mismo, con un mecanizado fino en su zona interior o de fricción para facilitar el acoplamiento con los ferodos sin que se produzcan agarrotamientos. Figura 6. Despiece freno de tambor.. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/frenos-2.htm En la zona central lleva practicados unos taladros donde se acoplan los espárragos de sujeción a la rueda y otros orificios que sirven de guía para el centrado de la rueda al buje. Zapatas de freno. Están formadas por dos placas de acero en forma de media luna sobre las que van fijados los forros (ferodo), encargados de detener el vehículo. Los forros se fijan a las zapatas mediante remaches o adhesivos. 14.

(36) Estas zapatas se unen, por un extremo, al cilindro y, por el otro, a un soporte fijo o regulable; a su vez, se mantienen unidas al plato, por medio de un sistema elástico de pasador y muelle. Se coloca un muelle entre las dos zapatas, facilitando el retroceso de las mismas cuando cesa la fuerza ejercida por el cilindro. Las zapatas se caracterizan por: El auto reforzamiento de las zapatas de freno primarias. La disminución de la fuerza de accionamiento con respecto al freno de disco. Las capacidades de ser sensibles a las oscilaciones del coeficiente de rozamiento y temperatura. Una mala auto limpieza y escasa protección contra la suciedad.. Forma y características de las zapatas. Las zapatas de freno están formadas por dos chapas de acero soldadas en forma de media luna y recubiertas un su zona exterior por los ferodos o forros de freno, que son los encargados de efectuar el frenado por fricción con el tambor. Figura 7. Zapatas de freno de tambor.. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/frenos-2.htm Los forros de freno se unen a la zapata metálica por medio de remaches embutidos en el material hasta los 3/4 de espesor del forro para que no rocen con el tambor, o bien pegados con colas de contacto. El encolado favorece la amortiguación de vibraciones y, como consecuencia, disminuyen los ruidos que éstas ocasionan durante el frenado.. 15.

(37) 2.9.1 El sistema simplex. En este tipo de freno las zapatas van montadas en el plato, fijas por un lado al soporte de articulación y accionadas por medio de un solo cilindro de doble pistón. Este tipo de frenos de tambor es de los más utilizados sobre todo en las ruedas traseras. Figura 8. Freno de tambor simplex.. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/frenos-2.htm Con esta disposición, durante el frenado, una de las zapatas llamada primaria se apoya sobre el tambor en contra del giro del mismo y efectúa una fuerte presión sobre la superficie del tambor. La otra zapata, llamada zapata secundaria, que apoya a favor del giro de la rueda, tiende a ser rechazada por efecto del giro del tambor, lo que hace que la presión de frenado en esta zapata sea inferior a la primaria. Figura 9. Sentido de giro derecho.. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.com/frenos-2.htm Invirtiendo el sentido de giro, se produce el fenómeno contrario: la zapata primaria se convierte en secundaria y la secundaria en primaria. Este tipo de freno de tambor se caracteriza por no ser el más eficaz a la hora de frenar, debido a que las zapatas no apoyan en toda su superficie sobre el tambor, pero destaca por su estabilidad en el coeficiente de rozamiento, es decir, la temperatura. 16.